AMPK相關代謝機制在非創傷性股骨頭壞死中的研究進展

陳彥同,周明旺,李盛華,*,胡星榮,劉一飛,趙秋玥,王鵬志,蘇耀輝

(1．甘肅中醫藥大學中醫臨床學院,中國甘肅蘭州730000;2．甘肅省中醫院骨科,中國甘肅蘭州730050)

非創傷性股骨頭壞死(non-traumatic osteonecrosis of the femoral head,NONFH)是常見的骨關節疑難病之一,多發于中青年人群,表現為髖關節骨性關節炎及后期的股骨頭缺血壞死、負重區的塌陷等[1]。2012年6月至2013年8月,一項針對中國人群的數據調查顯示國內大約有812萬人患有此病[2]。當前,該病雖在病因、發病機制等方面有了一定的研究進展,但其發病機制仍未明晰。從分子生物學角度深入探討其壞死機制,尋找防治措施及治療靶點,是該病研究的熱點之一。腺苷酸活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是細胞內主要的能量感受器,對細胞內能量及代謝具有調節作用,同時AMPK作為脂肪合成轉錄因子調節激酶,是調節脂質代謝、骨代謝的重要因子之一,能夠調節人體脂質、骨骼肌等的能量代謝,此外其對血管新生、心肌缺血也具有調節作用[3～4]。由此可見,激活或抑制AMPK可能與脂質代謝紊亂、骨質疏松等誘發的NONFH密切相關。

1 AMPK的結構和功能

1.1 AMPK的結構

AMPK 是一種由 3 個亞單位(α、β、γ)組成的三亞單位異源三聚體復合物,結構較為穩定,存在于所有真核生物中[5～7]。在3個亞單位中,α亞單位起催化作用,β和γ亞單位具有調節作用,每個亞單位均有各自的異構體亞型,即 α1、α2、β1、β2、γ1、γ2 和 γ3。α1、γ1 和 γ2 亞型在不同組織中廣泛表達,α2和β1主要在心肌、肝臟和骨骼肌中表達,而γ3僅在骨骼中表達[8]。AMPK信號通路的激活或調節需要催化亞基及調節亞基的參與,催化亞基及調節亞基分別與不同末端的亞單位結合,其中γ亞基由4個串行重復的胱硫醚β合酶結構域組成,通過結合AMP、ADP和ATP調節AMPK的活性;α亞基、β亞基及γ3亞基通過與AMPK激動劑或抑制劑結合,激活或抑制AMPK信號通路。研究報道,5-氨基-4甲酰胺咪唑核糖核苷酸(AICAR)可與AMPK的γ亞基結合而模擬AMP對AMPK的變構激活作用[9];人體中的AMPK在饑餓和缺氧等應激狀態下被激活,通過AMP/ATP比值的變化來調節并影響細胞代謝及其活性[10]。由此可以看出AMPK自身的生物學結構決定了其在人體中的功能。

1.2 AMPK的功能

AMPK的激活是通過直接磷酸化其α亞單位上的Thr-172來完成的。研究發現AMPK的上游激酶有3種以上,包括肝激酶B1(liver kinase B1,LKB1)、轉化生長因子活化激酶1(transforming growth factor-activated kinase 1,TKA1)、鈣調蛋白依賴性蛋白激酶(calmodulin-dependent protein kinase,CaMK)等[11]。AMPK作為細胞能量代謝的傳感器,可因代謝應激引起的細胞AMP/ATP比值上升而激活,隨后抑制消耗ATP的合成代謝途徑,啟動產生ATP的分解代謝途徑。AMPK通過將3個腺嘌呤核苷酸AMP、ADP和ATP競爭性結合到其γ亞單位的γ1、γ2和γ3三個位點來感知細胞的能量狀態,而γ亞單位又反過來調節α亞單位激酶域的活性。目前,對腺嘌呤核苷酸結合和差異性腺嘌呤核苷酸激活或抑制AMPK活性機制的理解主要源自人們對AMPK在不同活性狀態下的晶體結構的解析[7]。

研究證實PDX(protectin DX)-AMPK軸對H2O2誘導的血管內皮細胞氧化應激具有保護作用,PDX可顯著提高AMPK的磷酸化水平,同時明顯減少H2O2誘導的細胞凋亡[12]。另有研究報道,AMPK的激活可增強骨髓間充質干細胞的活性,促進成骨分化,抑制脂肪生成,起到調節骨代謝、脂代謝的作用[13～15]。上游激酶在人體應激狀態下激活AMPK,并作用于下游相應的基因來調節人體脂質代謝、骨代謝等代謝性疾病。纖溶酶原激活物抑制劑-1(plasminogen activator inhibitor-1,PAI-1)是AMPK的下游因子之一,其表達水平與肥胖、脂質代謝密切相關,在血栓形成前和脂質代謝異常的狀態下,PAI-1水平升高,而AMPK則通過激活或抑制狀態調控PAI-1等下游因子,從而作用于NONFH[16]。此外,我們通過KEGG數據庫得知AMPK下游調控因子固醇調節元件結合蛋白1c(sterol regulatory element binding protein 1c,SERBP1c)、脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase,FAS)等參與脂質代謝的調節。總的來講,AMPK特殊的生物學功能及其在生物體能量代謝中的重要調節作用啟示我們,基于該信號通路從分子層面研究相關疾病的發病機制,可為相關疾病的靶向治療提供思路及依據。

2 AMPK與脂質代謝性NONFH

上游調控因子激活AMPK后,通過促進其磷酸化水平進一步誘導脂肪酸的合成和氧化,減少異位脂質的積累,并降低血管內皮的損傷,提示AMPK是調節脂質代謝的重要因子之一[17]。研究報道,酒精喂養的小鼠肝組織與對照組相比,勻漿上清中的甘油三酯含量居高,且AMPK活性顯著降低[18]。有人應用電針治療高脂小鼠,發現電針可通過AMPK/ACC(acetyl-CoA carboxylase)信號通路減輕與高脂飲食誘導胰島素抵抗相關的骨骼肌脂代謝紊亂[19],但該研究成果有待進一步開展臨床試驗。AMPK調節人體脂質代謝的作用已為眾多學者研究,并且人們通過AMPK信號通路已探索出很多具有前景的疾病治療靶點,這在指導人體多種疾病的防治中起了重要促進作用。早在1969年,有研究者就發現給兔動脈內輸注脂肪可導致股骨頭栓塞性血管阻塞、局灶性骨髓壞死和骨細胞死亡,從而引起股骨頭的壞死[20]。現今大量流行病學數據顯示NONFH發生與酒精及類固醇使用引起的血脂代謝關系密切[21～22]。AMPK作為脂肪合成的轉錄因子調節激酶,可調節脂質的代謝,維持人體內正常的脂質水平,同時有研究發現股骨頭壞死骨組織中miR-25-5p、miR-135b水平顯著升高與AMPK高激活有關[23],而AMPK信號通路軸上與脂代謝密切相關的上下游調控因子,如脂聯素(adiponectin,ADPN)、纖溶酶原激活物抑制劑-1(PAI-1)等,與脂代謝引起的NONFH具有相關性,而且這些因子在AMPK信號通路的不同應激狀態處于不同的表達狀態(高表達或低表達)[24～25]。綜合分析現有研究可知,AMPK在脂代謝中的作用機制雖在肥胖等疾病中研究較多,但與NONFH相關的作用機制研究頗少。因此,深入挖掘AMPK相關信號通路并選取與脂質代謝紊亂誘發NONFH密切相關的指標及典型樣本,進行信號通路的阻斷、基因敲除,經過細胞、動物等離體實驗后進行藥物干預等在體研究,可能是基于該信號通路來研究NONFH發病機制的重要方向之一。

3 AMPK與骨代謝性NONFH

AMPK的激活或抑制能有效維持成骨細胞(osteoblast,OB)與破骨細胞(osteoclast,OC)間的平衡關系,在骨關節炎、骨質疏松癥等骨病的防治中具有重要意義。而股骨頭壞死塌陷是由于破骨細胞過度的骨吸收和成骨抑制,故研究成骨與破骨的相關作用機制對NONFH顯得尤為重要。同時,軟骨作為關節的重要一部分,在髖膝等人體關節中發揮著承重、緩沖、減小摩擦等作用。AMPK參與人體骨代謝,在調節成骨細胞與破骨細胞平衡中起重要作用,并在一定程度上可通過調節骨代謝而影響骨代謝性NONFH的發生。

3.1 AMPK與成骨細胞

成骨細胞是經間充質始祖細胞分化而來的一種能特異性分泌多種生物活性物質的細胞,其影響骨的形成和重建過程。相關研究通過有條件地滅活3周齡小鼠細胞中AMPK的表達,于6個月、18個月時間點分別測定了骨量的相關變化,結果顯示6個月時血清鈣水平明顯下降,18個月時小鼠股骨小梁骨體積和皮質骨厚度顯著降低,表明AMPK在維持成骨細胞含量、成年小鼠小梁骨體積、皮質厚度和骨強度中起重要作用[26]。同時有研究證明AMPK活化可能通過誘導自噬來刺激成骨細胞分化和礦化,并認為增強AMPK活化和自噬活性可能是促進成骨細胞生成、骨折愈合的一種潛在的新方法[27]。NONFH常表現為頭部骨量的丟失、骨小梁的不連續及負重區因支撐力的下降而發生塌陷。有人評估了來源于股骨粗隆間區和NONFH患者髂嵴的成骨細胞在體外的增殖率和分化能力,并將其與患有髖關節骨性關節炎(osteoarthritis,OA)的患者進行了比較,發現NONFH患者股骨中成骨細胞的復制能力顯著降低[28]。另有研究表明,苯并咪唑衍生物991(C991)可激活AMPK信號通路以保護成骨細胞,使其免受地塞米松(dexamethasone,DEX)的傷害[29]。此外,研究表明AMPK是二甲雙胍發揮抗糖尿病作用的關鍵分子,二甲雙胍可在體外活化AMPK,誘導成骨細胞分化、骨基質合成和成骨細胞增殖,促進成骨細胞生成,對NONFH具有一定的治療作用[30];同時,二甲雙胍可通過抑制糖原合成酶激酶3β(glycogen synthetase kinase 3β,GSK3β)的活性,促進間充質干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)的成骨細胞分化[31]。綜上所述,AMPK促進成骨細胞增殖及對骨細胞的保護作用提示其可能是NONFH潛在的靶點藥物研究方向之一。

3.2 AMPK與破骨細胞

破骨細胞是一種在骨發育、生長、修復、重建過程中起重要作用的具有骨吸收功能的細胞。研究表明,G蛋白偶聯膽汁酸受體TGR5(bile acid receptor-1)通過AMPK信號通路調節破骨細胞生成,對破骨細胞生成有更好的抑制作用,并可進一步增強成骨細胞生成[32]。有研究證實,在骨保護素(osteoprotegerin,OPG)處理下自噬/溶酶體抑制劑氯喹(chloroquine)或雷帕霉素(rapamycin)可通過AMPK/mTOR/p70S6K信號通路降低破骨細胞分化和骨吸收活性,表明自噬在OPG通過AMPK/mTOR/p70S6K信號通路抑制破骨細胞分化和骨吸收中起著關鍵作用[33]。另有研究發現,尿激酶型纖溶酶原激活劑(urokinase-type plasminogen activator,UPA)通過AMPK途徑抑制脂多糖(lipopoly-saccharide,LPS)炎癥性破骨細胞生成,同時其受體(UPAR)可通過Akt途徑促進這種抑制作用,改善炎癥性疾病引起的骨丟失[34]。此外,葡萄糖和谷氨酰胺也可通過AMPK信號通路對破骨細胞的發育和骨重吸收產生影響[35]。總的來講,AMPK作為能量代謝的傳感器和調節器,通路調控破骨細胞在人體內的狀態,在維持人體骨微環境的平衡中發揮了重要的作用。

3.3 AMPK與軟骨

軟骨主要由結締組織組成,其中關節軟骨位于關節接觸面之間,對關節的活動具有緩沖、保護等作用。NONFH患者經常會出現軟骨磨損破壞,進而引發局部疼痛、滑膜水腫、炎癥反應等。研究發現AMPK在某些情況下對軟骨具有保護作用,可緩解、治療關節炎[36]。有人通過4 h的大鼠循環拉伸應變實驗發現,激活AMPK和抑制NF-κB p65的核易位可減輕白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)誘導的軟骨細胞損傷[37]。有研究表明,葛根素可通過上調骨關節炎大鼠中的AMPK/增殖物激活受體-γ協同激活因子信號通路起到保護軟骨、減輕骨關節炎等作用[38]。髖關節作為人體重要的負重關節,各種力學應力的改變會造成關節軟骨的磨損,進而塌陷,從生物力學因素角度去研究AMPK對關節軟骨的保護作用可能對NONFH具有一定的意義。

4 小結與展望

從分子生物學角度深入探究疾病的發生機制,微觀精準地去認識疾病,進一步研究靶向治療藥物,是近些年來學者們關注的熱點。AMPK對能量及代謝物質的調控作用,使其在人體多種疾病中發揮著重要的調控功能。其作為調節脂質代謝的關鍵因子之一,在脂肪肝、糖尿病、肥胖癥等疾病中的研究較多,但少有在骨病方面的研究,更缺乏從脂代謝水平探討NONFH發病機制的研究。同時,骨穩態、骨代謝也是NONFH的重要機制之一,AMPK作為調節代謝物質平衡的重要因子之一,雖有在成骨細胞、破骨細胞等角度的研究,但當前仍存在研究成果欠缺、客觀實驗資料不足等問題。

從結構來看,AMPK的異構體亞型α2、β1、γ3存在于骨骼肌中,但其具體含量、分布位置、在骨病中的作用有待進一步研究。此外,AMPK及其上下游調控因子對人體脂代謝、骨代謝的不同調控作用在人體能量代謝中的生理功能啟示我們,AMPK可能對代謝性骨病、代謝紊亂性NONFH具有重要調節作用。阻斷AMPK相關信號通路來進一步研究NONFH的相關發病機制亦或從生物力學角度發掘其與髖關節軟骨間的作用機制,可能對NONFH的防治具有重要意義。